JP3559458B2

JP3559458B2 - Brazing material

Info

Publication number: JP3559458B2
Application number: JP33464998A
Authority: JP
Inventors: 弘司山本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: JP2000158181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とを接合させロウ材に関し、より詳細には融点が低いロウ材に関するのである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般に酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子を収容するための凹部を有し、下面に銅ータングステン合金等の金属材料から成る放熱板が銀ロウ材を介しロウ付け取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の凹部周辺から外周縁にかけて被着導出されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、内部に収容する半導体素子を外部電気回路に接続するために前記メタライズ配線層に銀ロウ等のロウ材を介し取着された外部リード端子と、蓋体とから構成されており、絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介してメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
なお、上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体の下面にロウ付け取着されている放熱板が銅ータングステン合金等の金属材料で形成されており、該銅ータングステン合金等は熱伝導性に優れていることから放熱板は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
また前記銅ータングステン合金等から成る放熱板は絶縁基体の下面に予めタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層を被着させておき、該メタライズ金属層に放熱板を銀ロウ材から成るロウ材を介しロウ付けすることによって絶縁基体の下面にロウ付け取着される。
【０００５】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージは、放熱板が銅ータングステン合金で形成されており、該銅ータングステン合金は重いことから容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした際、半導体装置の重量が重くなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にはその実装が困難となってしまう欠点を有していた。
【０００６】
そこで上記欠点を解消するために、軽量で、かつ良熱放散性のセラミックーアルミニウム複合材、具体的には、例えば、炭化珪素とアルミニウムの複合材を放熱板として使用することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このセラミックーアルミニウム複合材を放熱板として使用するために酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体の下面に従来一般的に使用されている銀ロウ材を介してロウ付け取着した場合、該銀ロウ材のロウ付け温度は約９００℃と高いため、ロウ付け時にセラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出してしまい、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を放熱板として絶縁基体の下面にロウ付け取着することができないという欠点を有していた。
【０００８】
また酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体の下面にセラミックーアルミニウム複合材を放熱板として銀ロウ材を介してロウ付け取着する際、絶縁基体の下面に予めメタライズ金属層を被着形成させておかなければならず、メタライズ金属層の形成のために製造工程が大幅に増大し、多くの時間と、手間が必要となる欠点も有していた。
【０００９】
本発明は上述の欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミックーアルミニウム複合材を、アルミニウムに溶出を起こさせることなく酸化アルミニウム質焼結体に直接接合させることができる新規のロウ材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のロウ材は、セラミックーアルミニウム複合材と、酸化アルミニウム質焼結体とを接合させるためのロウ材であって、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成ることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のロウ材は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成り、そのロウ付け温度が６３０℃以下と低いことからセラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体にロウ付けする際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体に極めて強固にロウ付け取着することができる。
【００１２】
また本発明のロウ材は、その内部に活性金属であるチタンが５乃至１５重量％含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体にロウ付け取着させる際、酸化アルミニウム質焼結体表面に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とのロウ付け取着が工程数を少なくして、極めて簡単に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの放熱板のロウ付けに適用した場合の一実施例を示し、図中、１は絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容する容器４が構成される。
【００１４】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３を収容するための空所を形成する凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ底面には半導体素子３が載置され、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１５】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体から成り、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１６】
また前記絶縁基体１は凹部１ａ周辺から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、該メタライズ配線層５の凹部１ａ周辺部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の上面外周縁に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００１７】
前記メタライズ配線層５は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。
【００１８】
前記メタライズ配線層５はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から外周縁にかけて被着形成される。
【００１９】
また前記メタライズ配線層５はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層５の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層５への外部リード端子７のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層５は、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００２０】
更に前記メタライズ配線層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子７は容器４内部に収容する半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子７を外部電気回路に接続することによって容器４内部に収容される半導体素子３はメタライズ配線層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００２１】
前記外部リード端子７は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００２２】
前記外部リード端子７が被着された絶縁基体１はまたその下面に放熱板８がロウ材９を介して取着されており、該放熱板８は半導体素子３が作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率良く放散させて半導体素子３を常に適温となし、これによって半導体素子３は常に正常に作動することが可能となる。
【００２３】
前記放熱板８はセラミックーアルミニウム複合材から成り、例えば、炭化珪素とアルミニウムのセラミックー金属複合材で形成されている。
【００２４】
前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材はその熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱を極めて伝え易い材料であることから絶縁基体１の下面に取着させた場合、半導体素子３の作動時に発する熱は絶縁基体１を介して放熱板８に良好に吸収され、かつ放熱体８を介して大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２５】
また前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材はその熱膨張係数が６×１０^−６／℃〜９×１０^−６／℃であり、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１の熱膨張係数（約７×１０^−６／℃）に近似することから絶縁基体１の下面に放熱板８を取着させた後、絶縁基体１と放熱板８に半導体素子３が作動時に発する熱等が印加されたとしても両者間には両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生することはなく、その結果、絶縁基体１の下面に放熱板８を常に強固に取着し、半導体素子３が作動時に発した熱を放熱板８を介して大気中に常に良好に放散させることが可能となる。
【００２６】
なお、前記放熱板８を形成するセラミックーアルミニウム複合材は、炭化珪素とアルミニウムの複合材からなる場合、例えば、炭化珪素粉末（粒径約１０μｍ）を１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧成形するとともにこれを還元雰囲気中、約１５００℃の温度で焼成して多孔質の炭化珪素焼結体を得、次に７００℃の温度で加熱溶融させたアルミニウムを炭化珪素焼結体の多孔部分及び表面に毛管現象等を利用して含浸させることによって製作される。
【００２７】
また前記放熱板８はその重量が銅ータングステン合金に比較して１／５程度であり、軽いことからこの放熱板８が取着された半導体素子収納用パッケージに半導体素子３を収容して半導体装置を形成した場合、該半導体装置の重量も極めて軽量なものとなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にも実装が可能となる。
【００２８】
更に、前記セラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８の絶縁基体１下面への取着は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成るロウ材９を介して行われる。
【００２９】
前記アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成るロウ材９はその溶融温度が６３０℃以下であり、低いことから絶縁基体１の下面にセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８をロウ材９を介して取着する際、ロウ材９を溶融させる熱が放熱板８に印加されたとしてもセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、絶縁基体１の下面にセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８をロウ材９を介して強固にロウ付け取着することができる。
【００３０】
また前記ロウ材９はその内部に活性金属であるチタンが含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材から成る放熱板８を絶縁基体１にロウ付け取着させる際、絶縁基体１に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、絶縁基体１に対する放熱板８のロウ付け取着の作業が工程数の少ない、極めて簡単なものとなすことができる。
【００３１】
なお、前記ロウ材９はそれを構成するアルミニウムは銅と合金を形成して、絶縁基体１と放熱板８とを接合させる作用をなし、アルミニウムの量が５７重量％未満、銅の量が３１重量％を超えた場合、或いは、アルミニウムの量が６４重量％を超え、銅の量が２８重量％未満の場合、ロウ材９のロウ付け温度が高いものとなってしまう。従って、ロウ材９はアルミニウムの量は５７乃至６４重量％、銅の量は２８乃至３１重量％の範囲に特定される。
【００３２】
また前記ロウ材９はそれを構成するチタンがロウ材９と絶縁基体１とをメタライズ金属層を不要として直接接合させる作用をなし、その含有量が５重量％未満であるとロウ材９を絶縁基体１に強固に接合させることができず、また１５重量％を超えるとロウ材９のロウ付け温度が高いものとなってしまう。従って、ロウ材９のチタンはその含有量が５乃至１５重量％の範囲に特定される。
【００３３】
かくして、上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ６を介して所定のメタライズ配線層５に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００３４】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例では本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体１と放熱板８との取着、即ち、酸化アルミニウム質焼結体と、炭化珪素とアルミニウムとの複合材との取着に使用したが、セラミックーアルミニウム複合材として、炭化珪素とアルミニウムの複合材に限定されるものではなく、セラミックとして炭化珪素以外の例えば、酸化アルミニウム等のセラミックも使用可能である。
【００３５】
（実験例）
次に、本発明の作用効果を以下に述べる実験例に基づき説明する。
まず炭化珪素が５０重量％、アルミニウムが５０重量％から成る直径６ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状をなすセラミックーアルミニウム複合材を準備し、次にこれを酸化アルミニウム質焼結体から成る直径６ｍｍ、長さ３ｍｍの円柱状セラミック材の表面に表１に示す所定量のアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）及びチタン（Ｔｉ）から成る各種のロウ材試料を用いて所定のロウ付け温度で直接、ロウ付け取着し、しかる後、セラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック材より引っ張り、セラミックーアルミニウム複合材がセラミック材より剥がれた際の引っ張り力を接合強度として評価した。
【００３６】
また同時にセラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック材を顕微鏡で観察し、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムの溶出を確認した。
【００３７】
なお、試料番号１７は本発明と比較するための比較試料であり、ロウ材として従来一般的に使用されている銀ロウ材（銀と銅の合金）を使用したものである。
【００３８】
またこの場合、銀ロウ材はセラミック材に直接接合しないことからセラミック材の表面には予めモリブデン（Ｍｏ）やマンガン（Ｍｎ）から成るメタライズ金属層が被着されており、更に該メタライズ金属層の表面には厚さ３μｍのニッケルメッキ層が被着されている。
上記の結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
上記実験結果からも判るように、従来のロウ材、即ち、銀ロウ材はそのロウ付け温度が約９００℃と高いため、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが多量に溶出してしまうものであるのに対し、本発明のロウ材はそのロウ付け温度が６３０℃以下と低く、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムに溶出が認められず、かつ接合強度を１ｋｇｆ／ｍｍ^２以上としてセラミック材に極めて強固にロウ付け取着させることが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のロウ材は、アルミニウムが５７乃至６４重量％、銅が２８乃至３１重量％、チタンが５乃至１５重量％から成り、そのロウ付け温度が６３０℃以下と低いことからセラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体にロウ付けする際、セラミックーアルミニウム複合材のアルミニウムが溶出することはなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材を、酸化アルミニウム質焼結体に極めて強固にロウ付け取着することができる。
【００４２】
また本発明のロウ材は、その内部に活性金属であるチタンが５乃至１５重量％含有されていることからセラミックーアルミニウム複合材を酸化アルミニウム質焼結体にロウ付け取着させる際、酸化アルミニウム質焼結体表面に予めメタライズ金属層を被着形成しておく必要はなく、その結果、セラミックーアルミニウム複合材と酸化アルミニウム質焼結体とのロウ付け取着が工程数を少なくして、極めて簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロウ材を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体と放熱板との接合に使用した場合の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・容器
５・・・・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８・・・・・・・・放熱板
９・・・・・・・・ロウ材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a brazing material in which a ceramic-aluminum composite material and an aluminum oxide sintered body are joined, and more particularly to a brazing material having a low melting point.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a semiconductor element housing package for housing a semiconductor element is generally made of an electrically insulating material such as an aluminum oxide sintered body, has a concave portion for housing a semiconductor element on an upper surface, and has a copper surface on a lower surface. A heat sink made of a metal material such as a tungsten alloy is brazed and attached via a silver brazing material, and tungsten, molybdenum, manganese, etc. A plurality of metallized wiring layers made of a high melting point metal powder, and external lead terminals attached to the metallized wiring layer via a brazing material such as silver brazing to connect a semiconductor element housed therein to an external electric circuit. , A lid, and a semiconductor element bonded and fixed to the bottom surface of the concave portion of the insulating base via an adhesive such as glass, resin, brazing material, and the like. Each electrode is electrically connected to the metallized wiring layer via a bonding wire, and then the lid is joined to the insulating base via a sealing material made of glass, resin, brazing material, or the like. A semiconductor device as a product is obtained by hermetically housing a semiconductor element in a container formed of the following.
[0003]
In the above-mentioned package for housing semiconductor elements, the heat radiating plate brazed to the lower surface of the insulating base is formed of a metal material such as a copper-tungsten alloy. Because of its excellent heat resistance, the heat sink can absorb heat generated during operation of the semiconductor device well and can radiate it well into the atmosphere. And the occurrence of thermal deterioration in the characteristics is effectively prevented.
[0004]
Further, in the heat sink made of the copper-tungsten alloy or the like, a metallized metal layer made of a refractory metal powder such as tungsten, molybdenum, or manganese is previously applied to the lower surface of the insulating base, and the heat sink is made of silver on the metallized metal layer. By brazing through a brazing material made of brazing material, it is brazed and attached to the lower surface of the insulating base.
[0005]
However, in this conventional package for housing a semiconductor element, the heat sink is formed of a copper-tungsten alloy, and since the copper-tungsten alloy is heavy, the semiconductor element is housed in a container in an airtight manner to form a semiconductor device. In this case, the weight of the semiconductor device is increased, and there has been a drawback that mounting the electronic device has recently become difficult, and the mounting thereof becomes difficult.
[0006]
Therefore, in order to solve the above-mentioned disadvantage, it is conceivable to use a lightweight and heat-dissipating ceramic-aluminum composite material, specifically, for example, a composite material of silicon carbide and aluminum as the heat radiating plate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the ceramic-aluminum composite material is brazed and attached to the lower surface of an insulating substrate made of an aluminum oxide sintered body through a silver brazing material which is conventionally generally used in order to use it as a heat sink, Since the brazing temperature of the silver brazing material is as high as about 900 ° C., the aluminum of the ceramic-aluminum composite material elutes during brazing, and as a result, the ceramic-aluminum composite material is used as a heat dissipation plate on the lower surface of the insulating base. It had the disadvantage that it could not be attached.
[0008]
When the ceramic-aluminum composite material is used as a heat sink and brazed and attached via a silver brazing material to the lower surface of the insulating substrate made of an aluminum oxide sintered body, a metallized metal layer is previously formed on the lower surface of the insulating substrate. In addition, the manufacturing process is greatly increased due to the formation of the metallized metal layer, and there is a disadvantage that much time and labor are required.
[0009]
The present invention has been devised in view of the above-mentioned drawbacks, and has as its object to provide a novel brazing material capable of directly joining a ceramic-aluminum composite material to an aluminum oxide sintered body without causing elution of aluminum. Is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The brazing material of the present invention is a brazing material for joining a ceramic-aluminum composite material and an aluminum oxide sintered body, wherein aluminum is 57 to 64% by weight, copper is 28 to 31% by weight, and titanium is 5 to 15% by weight.
[0011]
The brazing material of the present invention is composed of 57 to 64% by weight of aluminum, 28 to 31% by weight of copper, 5 to 15% by weight of titanium, and has a low brazing temperature of 630 ° C. or less. When brazing aluminum to the aluminum oxide sintered body, the aluminum of the ceramic-aluminum composite does not elute, and as a result, the ceramic-aluminum composite is brazed very firmly to the aluminum oxide-based sintered body. Can be attached.
[0012]
Further, since the brazing material of the present invention contains 5 to 15% by weight of titanium, which is an active metal, in the brazing material, when the ceramic-aluminum composite material is brazed and attached to the aluminum oxide sintered body, aluminum brazing is required. It is not necessary to apply a metallized metal layer on the surface of the sintered body in advance, and as a result, the brazing attachment between the ceramic-aluminum composite material and the sintered body of aluminum oxide reduces the number of steps, It can be done very easily.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an embodiment in which the brazing material of the present invention is applied to brazing of a heat sink of a package for housing semiconductor elements. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an insulating base, and 2 denotes a lid. The insulating base 1 and the lid 2 constitute a container 4 for housing the semiconductor element 3.
[0014]
The insulating base 1 is provided with a concave portion 1a for forming a cavity for accommodating the semiconductor element 3 on its upper surface, and the semiconductor element 3 is placed on the bottom surface of the concave portion 1a, and is made of glass, resin, brazing material or the like. It is bonded and fixed via an adhesive.
[0015]
The insulating substrate 1 is made of a sintered body of aluminum oxide. For example, a raw material powder such as aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, and calcium oxide is mixed with a suitable organic binder, a solvent, and the like to form a slurry. The slurry is formed into a ceramic green sheet (green ceramic sheet) by employing a doctor blade method or a calender roll method. Thereafter, the ceramic green sheet is subjected to an appropriate punching process and a plurality of the ceramic green sheets are laminated. It is manufactured by firing at a temperature of about 1600 ° C.
[0016]
A plurality of metallized wiring layers 5 are formed on the insulating substrate 1 from the periphery of the concave portion 1a to the outer peripheral edge, and each electrode of the semiconductor element 3 is provided with a bonding wire 6 around the concave portion 1a of the metallized wiring layer 5. An external lead terminal 7 connected to an external electric circuit is soldered and attached to a portion led out to the outer peripheral edge of the upper surface of the insulating base 1 via a brazing material such as silver brazing. ing.
[0017]
The metallized wiring layer 5 functions as a conductive path when connecting each electrode of the semiconductor element 3 to an external electric circuit, and is formed of a high melting point metal powder such as tungsten, molybdenum, and manganese.
[0018]
The metallized wiring layer 5 is prepared by screen-printing a metal paste obtained by adding a suitable organic binder, a solvent and the like to a high melting point metal powder such as tungsten, molybdenum, manganese or the like on a ceramic green sheet serving as the insulating substrate 1 in advance. By printing and applying a predetermined pattern by a method, the insulating substrate 1 is formed so as to cover from the periphery of the concave portion 1a to the outer peripheral edge.
[0019]
If the metallized wiring layer 5 is coated with a metal having excellent corrosion resistance such as nickel and gold and excellent wettability with a brazing material to a thickness of 1 μm to 20 μm by a plating method on the exposed surface, the metallized wiring layer 5 is metallized. The oxidation corrosion of the wiring layer 5 can be effectively prevented, and the brazing of the external lead terminals 7 to the metallized wiring layer 5 can be made firm. Therefore, it is preferable that the metallized wiring layer 5 has a metal having excellent corrosion resistance such as nickel and gold and excellent wettability with the brazing material having a thickness of 1 μm to 20 μm on the exposed surface.
[0020]
Further, external lead terminals 7 are brazed and attached to the metallized wiring layer 5 through a brazing material such as silver brazing. The external lead terminals 7 connect each electrode of the semiconductor element 3 housed in the container 4 to the outside. The semiconductor element 3 accommodated in the container 4 by connecting the external lead terminal 7 to the external electric circuit is connected to the external circuit via the metallized wiring layer 5 and the external lead terminal 7. It will be connected to the circuit.
[0021]
The external lead terminal 7 is made of a metal material such as an iron-nickel-cobalt alloy or an iron-nickel alloy. For example, an ingot made of a metal such as an iron-nickel-cobalt alloy is rolled or stamped. It is formed into a predetermined shape by applying a conventionally known metal working method.
[0022]
A heat sink 8 is attached to the lower surface of the insulating base 1 with the external lead terminals 7 attached thereto via a brazing material 9, and the heat sink 8 satisfactorily generates heat generated when the semiconductor element 3 operates. The semiconductor element 3 is absorbed and radiated efficiently into the atmosphere to keep the semiconductor element 3 at an appropriate temperature, whereby the semiconductor element 3 can always operate normally.
[0023]
The radiator plate 8 is made of a ceramic-aluminum composite material, for example, a ceramic-metal composite material of silicon carbide and aluminum.
[0024]
The ceramic-aluminum composite material forming the radiator plate 8 has a thermal conductivity of 200 W / m · K or more and is a material that can easily conduct heat. The heat generated during the operation of the element 3 is well absorbed by the heat radiating plate 8 through the insulating base 1 and efficiently radiated into the atmosphere through the heat radiating body 8.
[0025]
The ceramic-aluminum composite material forming the radiator plate 8 has a coefficient of thermal expansion of 6 × 10 ⁻⁶ / ° C. to 9 × 10 ⁻⁶ / ° C. Since the heat dissipation plate 8 is attached to the lower surface of the insulating base 1 because the expansion coefficient is close to the expansion coefficient (approximately 7 × 10 ⁻⁶ / ° C.), the heat and the like generated when the semiconductor element 3 is operated on the insulating base 1 and the heat sink 8 Is applied, no thermal stress is generated between the two due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the two, and as a result, the radiator plate 8 is always firmly attached to the lower surface of the insulating base 1, and The heat generated during the operation of the element 3 can always be satisfactorily dissipated into the atmosphere via the radiator plate 8.
[0026]
When the ceramic-aluminum composite material forming the radiator plate 8 is made of a composite material of silicon carbide and aluminum, for example, silicon carbide powder (particle diameter: about 10 μm) is pressure-molded at a pressure of 1000 kgf / cm ^2. At the same time, this is fired at a temperature of about 1500 ° C. in a reducing atmosphere to obtain a porous silicon carbide sintered body, and then aluminum heated and melted at a temperature of 700 ° C. is heated to form a porous portion and a surface of the silicon carbide sintered body. It is manufactured by impregnating the glass using capillary action or the like.
[0027]
The heat sink 8 is about 1/5 the weight of the copper-tungsten alloy and is light, so that the semiconductor element 3 is accommodated in the semiconductor element housing package to which the heat sink 8 is attached. When the device is formed, the weight of the semiconductor device becomes extremely light, and the semiconductor device can be mounted on an electronic device that has recently been reduced in size and weight.
[0028]
Further, the heat sink 8 made of the ceramic-aluminum composite material is attached to the lower surface of the insulating base 1 by using a brazing material consisting of 57 to 64% by weight of aluminum, 28 to 31% by weight of copper, and 5 to 15% by weight of titanium. This is performed via the material 9.
[0029]
The brazing material 9 made of 57 to 64% by weight of aluminum, 28 to 31% by weight of copper, and 5 to 15% by weight of titanium has a melting temperature of 630 ° C. or less, and has a low melting temperature. When the heat dissipating plate 8 made of the cool aluminum composite material is attached via the brazing material 9, even if heat for melting the brazing material 9 is applied to the heat dissipating plate 8, the aluminum of the heat dissipating plate 8 made of the ceramic-aluminum composite material is removed. Is not eluted, and as a result, a heat sink 8 made of a ceramic-aluminum composite material can be firmly brazed and attached to the lower surface of the insulating base 1 via the brazing material 9.
[0030]
Further, since the brazing material 9 contains titanium as an active metal therein, when the heat radiating plate 8 made of a ceramic-aluminum composite material is brazed and attached to the insulating base 1, the metallized metal is added to the insulating base 1 in advance. It is not necessary to form a layer beforehand, and as a result, the work of brazing and attaching the heat radiating plate 8 to the insulating base 1 can be made extremely simple with few steps.
[0031]
The brazing material 9 has a function of joining the insulating base 1 and the heat radiating plate 8 by forming an alloy of copper and aluminum constituting the brazing material 9, and the amount of aluminum is less than 57% by weight and the amount of copper is 31%. If the amount exceeds 25% by weight, or if the amount of aluminum exceeds 64% by weight and the amount of copper is less than 28% by weight, the brazing temperature of the brazing material 9 will be high. Therefore, the brazing material 9 has an aluminum content of 57 to 64% by weight and a copper content of 28 to 31% by weight.
[0032]
In addition, the brazing material 9 has a function of directly joining the brazing material 9 and the insulating substrate 1 to each other without the need for a metallized metal layer, and when the content is less than 5% by weight, the brazing material 9 is insulated. It cannot be firmly joined to the base 1, and if it exceeds 15% by weight, the brazing temperature of the brazing material 9 becomes high. Therefore, the content of titanium in the brazing material 9 is specified in the range of 5 to 15% by weight.
[0033]
Thus, according to the above-described package for housing a semiconductor element, the semiconductor element 3 is bonded and fixed to the bottom surface of the concave portion 1a of the insulating base 1 via an adhesive made of glass, resin, brazing material or the like, and each electrode of the semiconductor element 3 is formed. Is connected to a predetermined metallized wiring layer 5 via a bonding wire 6, and then the lid 2 is bonded to the upper surface of the insulating base 1 via a sealing material made of glass, resin, brazing material, or the like. A semiconductor device as a product is obtained by hermetically housing the semiconductor element 3 inside a container 4 composed of the base 1 and the lid 2.
[0034]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It was used for attaching the insulating base 1 and the heat sink 8 of the element storage package, that is, for attaching the aluminum oxide sintered body and the composite material of silicon carbide and aluminum. However, the present invention is not limited to the composite material of silicon carbide and aluminum, and ceramics other than silicon carbide, for example, ceramics such as aluminum oxide can also be used.
[0035]
(Experimental example)
Next, the operation and effect of the present invention will be described based on experimental examples described below.
First, a columnar ceramic-aluminum composite material having a diameter of 6 mm and a length of 3 mm made of 50% by weight of silicon carbide and 50% by weight of aluminum was prepared. A predetermined amount of aluminum (Al), copper (Cu) and titanium (Ti) as shown in Table 1 were used on various surfaces of a cylindrical ceramic material having a length of 3 mm and directly at a predetermined brazing temperature. After being brazed and attached, the ceramic-aluminum composite material was pulled from a ceramic material made of an aluminum oxide sintered body, and the tensile force when the ceramic-aluminum composite material was peeled off from the ceramic material was evaluated as bonding strength.
[0036]
At the same time, the ceramic material composed of the ceramic-aluminum composite material and the aluminum oxide sintered body was observed with a microscope, and the elution of aluminum from the ceramic-aluminum composite material was confirmed.
[0037]
Note that Sample No. 17 is a comparative sample for comparison with the present invention, in which a silver brazing material (an alloy of silver and copper) conventionally used generally is used as a brazing material.
[0038]
In this case, since the silver brazing material is not directly bonded to the ceramic material, a metallized metal layer made of molybdenum (Mo) or manganese (Mn) is previously applied to the surface of the ceramic material. A nickel plating layer having a thickness of 3 μm is applied to the surface.
Table 1 shows the above results.
[0039]
[Table 1]

[0040]
As can be seen from the above experimental results, the conventional brazing material, that is, the silver brazing material has a high brazing temperature of about 900 ° C., so that a large amount of aluminum of the ceramic-aluminum composite material is eluted. On the other hand, the brazing material of the present invention has a brazing temperature as low as 630 ° C. or less, no elution of aluminum in the ceramic-aluminum composite material, and a bonding strength of 1 kgf / mm ² or more, which makes the brazing material extremely strong to the ceramic material. It becomes possible to attach by brazing.
[0041]
【The invention's effect】
The brazing material of the present invention is composed of 57 to 64% by weight of aluminum, 28 to 31% by weight of copper, 5 to 15% by weight of titanium, and has a low brazing temperature of 630 ° C. or less. When brazing aluminum to the aluminum oxide sintered body, the aluminum of the ceramic-aluminum composite does not elute, and as a result, the ceramic-aluminum composite is brazed very firmly to the aluminum oxide-based sintered body. Can be attached.
[0042]
Further, since the brazing material of the present invention contains 5 to 15% by weight of titanium, which is an active metal, in the brazing material, when the ceramic-aluminum composite material is brazed and attached to the aluminum oxide sintered body, aluminum brazing is required. It is not necessary to apply a metallized metal layer on the surface of the sintered body in advance, and as a result, the brazing attachment between the ceramic-aluminum composite material and the sintered body of aluminum oxide reduces the number of steps, It can be done very easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment in which the brazing material of the present invention is used for bonding an insulating base of a package for housing semiconductor elements and a heat sink.
[Explanation of symbols]
1 Insulating base 2 Lid 3 Semiconductor element 4 Container 5 ..Metalized wiring layer 7 External lead terminals 8 Heat sink 9 Brazing material

Claims

A brazing material for bonding a ceramic-aluminum composite material and an aluminum oxide sintered body, comprising 57 to 64% by weight of aluminum, 28 to 31% by weight of copper, and 5 to 15% by weight of titanium.